一种分布式自驱动监测浮标

1.本发明涉及海洋可再生能源利用技术领域，特别是涉及一种分布式自驱动监测浮标。


背景技术：

2.作为物联网(iot)的延伸，海洋监测、观测在建设智慧海洋中发挥着重要作用，而大量的海洋分布式传感装置是构建海洋监测的基础。目前，由于海洋环境复杂、电池容量有限，导致数量多、分布广的海洋监测设备面临巨大供电挑战。兆瓦级波浪能发电装置存在耐极端环境能力不足，结构可靠性差等问题，影响了大型波浪能开发利用装置的产业化进程；小型化波浪能发电装置与大型化装置相比，其耐海洋环境载荷的能力增强，波浪能利用的效率和可靠性有所提高，有望实现海洋监测设备自驱动化。
3.目前，小型化波浪能发电装置主要包括：振荡水柱式、聚波越浪式以及点吸振荡浮子式装置。其中，点吸振荡波浪能浮子利用浮体垂向往复振荡俘获波浪能量，从而存储液压能发电，或带动机械结构做功发电，实现能量转换，能量转换效率较高，并具有较好的环境适应性。点吸振荡浮子式波浪能发电装置，通常以环境激励频率匹配装置本身固有频率为目标。大型点吸振荡浮子式装置的研究大都忽略浮体和发电机构之间的耦合，且装置质心的位置不会变化。但是由于海洋环境的复杂性，在实际情况中，对于小型化波浪能发电装置，不对称的质量分布会导致浮体倾斜，减弱浮标的规则振荡，因此装置质心的位置会随波浪作用不断改变，影响发电机构的稳定运转。


技术实现要素：

4.鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种分布式自驱动监测浮标，以解决现有的点吸振荡浮子式装置中，装置质心的位置会随波浪作用不断改变，影响发电机构的稳定运转的问题。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.本发明所述分布式自驱动监测浮标，包括：
7.浮子，所述浮子内设置有空腔；
8.摆动机构，所述摆动机构内置于所述空腔内，所述摆动机构包括摆子托盘、光轴、水平摆轴和配重块，所述摆子托盘可转动地安装在所述空腔内，所述光轴可转动地同轴安装于所述摆子托盘上，所述光轴的底端向下穿出所述摆子托盘，所述水平摆轴水平连接在所述光轴的底端，所述配重块固定在所述水平摆轴的端部；
9.发电机构，所述发电机构安装在所述摆子托盘内，所述发电机构与所述光轴连接；
10.所述浮子浮动时，所述摆子托盘摆动，带动所述配重块水平旋转，使得所述光轴带动所述发电机构发电。
11.优选地，所述发电机构包括上下堆叠的多个发电单元，各所述发电单元均包括支撑基体、转子层和定子层，所述支撑基体的上下两侧各设置一个所述转子层，各所述转子层
与所述支撑基体之间均设置有一个所述定子层，所述定子层与所述支撑基体固定，所述转子层与所述光轴固定，所述转子层随所述光轴旋转时，与所述定子层产生摩擦。
12.优选地，所述定子层包括金属电极层与介电材料层，所述金属电极层固定在所述支撑基体的上侧或下侧，所述介电材料层固定在所述金属电极层上，所述介电材料层介于所述金属电极层与所述转子层之间。
13.优选地，所述金属电极层包括多个第一格栅电极和多个第二格栅电极，多个所述第一格栅电极与多个所述第二格栅电极沿周向交替设置，所述第一格栅电极自中心径向向外延伸设置，所述第二格栅电极自边缘径向向内延伸设置。
14.优选地，所述转子层包括多个第三格栅电极，多个所述第三格栅电极沿周向均匀分布，各所述第三格栅电极分别自中心沿径向向外延伸设置。
15.优选地，所述浮子包括上浮子和下浮子，所述上浮子与所述下浮子上下密封连接，所述上浮子中内置有太阳能储舱，所述太阳能储舱内设置有太阳能发电板；所述下浮子呈半球状，所述摆动机构置于所述下浮子内。
16.优选地，所述上浮子包括上密封盖和多块楔形块，多块所述楔形块依次连接呈上小下大的锥形体，所述楔形块的下部与所述下浮子密封连接，所述楔形块的上部与所述上密封盖连接，所述太阳能储舱设置于所述楔形块的内部。
17.优选地，所述上浮子中还内置有能量管理舱室，所述能量管理舱室中设置有能量管理模块，所述能量管理模块与所述太阳能发电板、所述发电机构连接，所述能量管理模块用于存储所述太阳能发电板与所述发电机构产生的电能。
18.优选地，所述摆动机构还包括托盘摆传感器和水平摆传感器，所述托盘摆传感器与所述摆子托盘的摆动轴线同轴安装，所述水平摆传感器同轴安装在所述光轴的下部。
19.优选地，所述浮子的底部设置有配重舱，所述配重舱的底部设置有系泊环。
20.本发明实施例一种分布式自驱动监测浮标与现有技术相比，其有益效果在于：
21.本发明实施例的分布式自驱动监测浮标，在浮子内部内置摆动机构和发电机构，摆动机构包括摆子托盘、光轴、水平摆轴和配重块，当波浪作用在浮子上时，整个浮标装置质心位置发生改变，使得摆子托盘旋转，摆子托盘与浮子发生相对摆动，摆子托盘摆动过程中，耦合配重块的惯性作用，使得配重块带动水平摆轴绕光轴旋转，使水平摆轴与光轴同步旋转，通过光轴将外界高熵波浪能转换为水平摆稳定旋转的机械能，光轴作为发电机构的动力输入轴，带动发电机构发电，从而实现波浪能向电能的转化，从海洋波浪中提取能量，为浮标搭载的用电设备供电，实现分布式监测浮标的自驱动。本发明将波浪的不规则高熵运动，先转换为托盘摆的绕轴摆动，再转换为基于惯性作用而产生的水平摆的旋转运动，带动发电机构发电，减轻了浮子水动力响应与发电耦合的有害影响，使得浮子内部的发电机构相对于浮子保持恒定的质心位置，保证发电机构的稳定运转，同时能够确保浮子在水中自适应平衡，自海洋波浪中提取能量。
附图说明
22.图1是本发明实施例所述分布式自驱动监测浮标的整体结构示意图；
23.图2是本发明实施例中上浮子的结构示意图；
24.图3是本发明实施例中下浮子及摆动机构的结构示意图；
25.图4是本发明实施例中发电机构与摆动机构的连接结构示意图；
26.图5是本发明实施例中发电机构的结构示意图；
27.图6是本发明所述分布式自驱动监测浮标的单点系泊示意图；
28.图中，
29.1、浮子；11、上浮子；111、上密封盖；112、楔形块；1121、太阳能储舱；1122、能量管理舱室；12、下浮子；121、防水密封环；1211、弧形槽口；
30.21、摆子托盘；211、摆耳；212、凸缘结构；22、光轴；23、水平摆轴；231、螺钉；24、配重块；241、锁紧螺母；25、托盘摆传感器；26、水平摆传感器；27、支撑架；28、轴承座；29、传动轴；
31.3、发电机构；31、支撑基体；311、槽口；32、转子层；321、第三格栅电极；322、法兰结构；33、定子层；331、金属电极层；3311、第一格栅电极；3312、第二格栅电极；332、介电材料层；
32.4、配重舱；5、三点式系泊环；6、单点式系泊环；7、锚座；8、锚链。
具体实施方式
33.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
36.如图1－图6所示，本发明实施例的一种分布式自驱动监测浮标，包括浮子1、摆动机构和发电机构3，其中，所述浮子1用于吸收海洋中自由液面的波浪能，所述浮子1内设置有空腔；所述摆动机构内置于所述空腔内，所述摆动机构包括摆子托盘21、光轴22、水平摆轴23和配重块24，所述摆子托盘21可转动地安装在所述空腔内，所述光轴22可转动地同轴安装于所述摆子托盘21上，所述光轴22的底端向下穿出所述摆子托盘21，所述水平摆轴23水平连接在所述光轴22的底端，水平摆轴23通过螺钉231锁紧于光轴22的底端，所述配重块24固定在所述水平摆轴23的端部，水平摆轴23上车削有螺纹，配重块24与水平摆轴23的端部通过锁紧螺母241锁紧固定；水平摆轴23水平设置，光轴22竖直设置，光轴22与摆子托盘21垂直，水平摆轴23与光轴22垂直；所述发电机构3安装在所述摆子托盘21内，所述发电机构3与所述光轴22连接，发电机构3将光轴22的旋转机械能转换为电能；所述浮子1浮动时，所述摆子托盘21摆动，带动所述配重块24水平旋转，使得所述光轴22带动所述发电机构3发电。
37.当波浪作用在浮子1上时，整个浮标装置质心位置发生改变，使得摆子托盘21旋转，摆子托盘21与浮子1发生相对摆动，摆子托盘21摆动过程中，耦合配重块24的惯性作用，使得配重块24带动水平摆轴23绕光轴22旋转，使水平摆轴23与光轴22同步旋转，通过光轴22将外界高熵波浪能转换为水平摆稳定旋转的机械能，光轴22作为发电机构3的动力输入轴，带动发电机构3发电，从而实现波浪能向电能的转化，从海洋波浪中提取能量，为浮标搭载的用电设备供电，实现分布式监测浮标的自驱动。
38.本发明将波浪的不规则高熵运动，先转换为托盘摆的绕轴摆动，再转换为基于惯性作用而产生的水平摆的旋转运动，带动发电机构3发电，减轻了浮子1水动力响应与发电耦合的有害影响，使得浮子1内部的发电机构3相对于浮子1保持恒定的质心位置，保证发电机构3的稳定运转，同时能够确保浮子1在水中自适应平衡，自海洋波浪中提取能量。
39.如图1和图2所示，所述浮子1包括上浮子11和下浮子12，所述上浮子11与所述下浮子12上下密封连接，所述上浮子11中内置有太阳能储舱1121，所述太阳能储舱1121内设置有太阳能发电板，太阳能发电板用于海上太阳能的收集和利用，将光能转换为电能；所述下浮子12呈半球状，以保证浮子1在波浪激励作用下自由摇荡，且能够适应任一方向上的来流。所述摆动机构置于所述下浮子12内，摆动机构随下浮子12的运动而摆动，摆动机构摆动过程中带动发电机构3运转，使得浮子1能够收集各个方向上的摇荡能量，将无规则高熵的波浪能持续高效的转化为电能。在阳光和海浪的共同作用下，本发明能够收集光能以及来自各个波浪方向上的摇荡能量，自驱动浮标。
40.上浮子11与下浮子12之间通过防水密封环121连接，保证上浮子11与下浮子12的连接密封性。进一步地，防水密封环121上周向间隔设置有多个弧形槽口1211，方便浮子1的运输、投放与回收。弧形槽口1211上下贯穿防水密封环121，多个弧形槽口1211沿防水密封环121的周向间隔设置。
41.进一步地，所述上浮子11包括上密封盖111和多块楔形块112，上密封盖111呈圆形，多块所述楔形块112依次连接呈上小下大的锥形体，所述楔形块112的下部与所述下浮子12密封连接，所述楔形块112的上部与所述上密封盖111连接，所述太阳能储舱1121设置于所述楔形块112的内部。进一步地，楔形块112的楔形坡面与其所在水平面之间的夹角为60
°
，增加了阳光入射面积。
42.优选地，楔形块112的材质为亚克力等透明防水材质。楔形块112的楔形坡面表面涂覆透明纳米防腐蚀疏水性材料，由于重力与惯性作用降低了海水在浮体表面的粘滞，避免了海生物附着、海水腐蚀等危害，提高使用寿命。
43.本实施例中，所述上浮子11中还内置有能量管理舱室1122，所述能量管理舱室1122中设置有能量管理模块，所述能量管理模块与所述太阳能发电板、所述发电机构3连接，所述能量管理模块用于存储所述太阳能发电板与所述发电机构3产生的电能，持续为浮标上搭载的用电设备供电。通过太阳能发电板与发电机构3产生的电能对浮标进行驱动，使得浮标在恶劣环境条件下仍然具有自驱动能力。
44.本实施例中，所述摆动机构还包括托盘摆传感器25和水平摆传感器26，所述托盘摆传感器25与所述摆子托盘21的摆动轴线同轴安装，托盘摆传感器25为中空角位移传感器，用于监测摆子托盘21随浮子1运动产生的角度变化，通过监测的角度变化可计算得到浮子1振荡产生的角位移、角速度、角加速度、频率等参数，以反映浮子1本身的运动状态；所述
水平摆传感器26同轴安装在所述光轴22的下部，水平摆传感器26为中空角位移传感器，用于监测水平摆轴23旋转运动过程中的转速、角位移、角速度、角加速度及频率等参数。由于水平摆轴23带动光轴22旋转，光轴22作为发电机构3的动力输入轴，因此，通过监测水平摆轴23的旋转运动参数，可对发电机构3的输入机械能进行监测。通过改变配重块24的质量与其在水平摆轴23上的位置，可测试得到浮子1的最优结构参数与俘能效率。
45.如图3和图4所示，摆子托盘21的水平截面呈圆形，摆子托盘21的两端固定有摆耳211，浮子1的内壁两侧固定有支撑架27，支撑架27水平设置，支撑架27上安装有轴承座28，轴承座28与支撑架27通过螺栓固定。每个轴承座28内均转动安装一个传动轴29，传动轴29通过销轴与摆耳211连接，托盘摆传感器25装配在其中一个传动轴29的端部，托盘摆传感器25固定在支撑架27上。支撑架27与下浮子12固定，轴承座28与托盘摆传感器25均固定在支撑架27上，使得浮子1受到波浪作用运动时，摆子托盘21相对于下浮子12只能在固定方向上受迫摆动，具体为绕传动轴29摆动。
46.摆子托盘21的下表面设置有凸缘结构212，凸缘结构212呈圆柱体，水平摆传感器26通过螺钉231同轴固定在凸缘结构212的下表面。凸缘结构212内嵌套有轴承，光轴22穿过轴承并利用轴肩固定。
47.本实施例中，配重块24为圆柱体，配重块24与水平摆轴23同轴设置，方便配重块24在惯性作用下的旋转。
48.在保证发电性能的前提下，确保摆动机构在浮子1内部稳定摆动旋转。优选地，所述浮子1的内径与发电机构3的外径之比限制为11：6；摆子托盘21的质量m与配重块24的质量m之间的关系限制为m≥4m；水平摆轴23的长度与发电机构3的半径之比限制为1：1。水平摆轴23原点到浮子1底部的距离h应大于水平摆轴23的长度l与配重块24的半径r之和(h≥l+r)。
49.如图4和图5，所述发电机构3包括上下堆叠的多个发电单元，各发电单元的结构组成基本相同。如图5所示，所述发电单元包括支撑基体31、转子层32和定子层33，所述支撑基体31的上下两侧各设置一个所述转子层32，各所述转子层32与所述支撑基体31之间均设置有一个所述定子层33，所述定子层33与所述支撑基体31固定，所述转子层32与所述光轴22固定，所述转子层32随所述光轴22旋转时，与所述定子层33产生摩擦。优选地，转子层32与定子层33之间的间距位于0～0.5mm的范围内。支撑基体31设置有z型截面，相邻发电单元的支撑基体31之间通过z型结构固定嵌套，连接结构稳定。
50.进一步地，所述定子层33包括金属电极层331与介电材料层332，所述金属电极层331固定在所述支撑基体31的上侧或下侧，所述介电材料层332固定在所述金属电极层331上，所述介电材料层332介于所述金属电极层331与所述转子层32之间。金属电极层331的金属电极优选为铜或金材质。介电材料层332黏附在金属电极层331上，避免了金属电极间相互击穿，减小了转子层32与定子层33之间的摩擦损耗。介电材料层332的厚度优选为50～100μm。介电材料层332的材质为聚氯乙烯材质或其他摩擦电序列更趋近于负的材料。
51.所述金属电极层331包括多个第一格栅电极3311和多个第二格栅电极3312，多个所述第一格栅电极3311与多个所述第二格栅电极3312沿周向交替设置，所述第一格栅电极3311自中心径向向外延伸设置，所述第二格栅电极3312自边缘径向向内延伸设置。本实施例中，第一格栅电极3311与第二格栅电极3312的数量均为24个，间隙优选为2mm，间隙角优
选为0.5
°
。
52.所述转子层32包括多个第三格栅电极321，多个所述第三格栅电极321沿周向均匀分布，各所述第三格栅电极321分别自中心沿径向向外延伸设置。第三格栅电极321的数量与第一格栅电极3311、第二格栅电极3312的数量相等，第三格栅电极321的数量为24个。进一步地，转子层32的中心凸缘处设置为法兰结构322，方便利用顶丝螺钉231将转子层32固定在光轴22上，旋转运动时，转子层32与光轴22保持相对静止。各第三格栅电极321自法兰结构322径向向外延伸设置。
53.发电单元的支撑基体31设置有槽口311，金属电极层331的第一格栅电极3311和第二格栅电极3312分别焊接有导线，导线与能量管理模块连接，通过导线将各发电单元产生的电能进行整合并传输至能量管理模块。
54.本实施例中，所述浮子1的底部设置有配重舱4，配重舱4呈圆柱体，配重舱4与下浮子12一体成型，通过改变配重使得浮标能够在海中保持相对稳定，不易倾覆。
55.如图1和图6所示，所述配重舱4的底部设置有系泊环，浮标可以系泊固定在特定海域作为监测基站来使用，以应对极端天气、恶劣海况等环境条件下。进一步地，系泊环包括三点式系泊环5和单点式系泊环6，其中，三点式系泊环5适用于浮标在深海中的系泊，单点式系泊环6适用于浮标在浅海中的系泊。如图6所示，以单点式系泊为例，在海底布放锚座7，锚座7通过锚链8与单点式系泊环6连接。其中，锚座7可选用铸钢大抓力锚，锚链8可选用挡焊接钢链。
56.综上，本发明实施例提供一种分布式自驱动监测浮标，其通过太阳能发电板收集到光能；通过浮子1中内置的摆动机构将波浪的不规则高熵运动，先转换为摆子托盘21的绕轴摆动，再转换为基于惯性作用而产生的水平摆轴23的旋转运动，通过光轴22带动发电机构3摩擦发电，实现波浪能向电能的转化，收集到波浪能；通过能量管理模块，耦合太阳能发电板和发电机构3产生的电能，为浮标搭载的用电设备持续不断地提供电能，实现分布式监测浮标的自驱动。并且，本发明的浮标可作为漂流浮标在海洋中分布式投放使用，浮标尺寸小、成本低，结构牢靠，可以布放至内河、水渠、湖泊以及海湾等区域进行持续工作。
57.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种分布式自驱动监测浮标，其特征在于，包括：浮子，所述浮子内设置有空腔；摆动机构，所述摆动机构内置于所述空腔内，所述摆动机构包括摆子托盘、光轴、水平摆轴和配重块，所述摆子托盘可转动地安装在所述空腔内，所述光轴可转动地同轴安装于所述摆子托盘上，所述光轴的底端向下穿出所述摆子托盘，所述水平摆轴水平连接在所述光轴的底端，所述配重块固定在所述水平摆轴的端部；发电机构，所述发电机构安装在所述摆子托盘内，所述发电机构与所述光轴连接；所述浮子浮动时，所述摆子托盘摆动，带动所述配重块水平旋转，使得所述光轴带动所述发电机构发电。2.根据权利要求1所述的分布式自驱动监测浮标，其特征在于，所述发电机构包括上下堆叠的多个发电单元，各所述发电单元均包括支撑基体、转子层和定子层，所述支撑基体的上下两侧各设置一个所述转子层，各所述转子层与所述支撑基体之间均设置有一个所述定子层，所述定子层与所述支撑基体固定，所述转子层与所述光轴固定，所述转子层随所述光轴旋转时，与所述定子层产生摩擦。3.根据权利要求2所述的分布式自驱动监测浮标，其特征在于，所述定子层包括金属电极层与介电材料层，所述金属电极层固定在所述支撑基体的上侧或下侧，所述介电材料层固定在所述金属电极层上，所述介电材料层介于所述金属电极层与所述转子层之间。4.根据权利要求3所述的分布式自驱动监测浮标，其特征在于，所述金属电极层包括多个第一格栅电极和多个第二格栅电极，多个所述第一格栅电极与多个所述第二格栅电极沿周向交替设置，所述第一格栅电极自中心径向向外延伸设置，所述第二格栅电极自边缘径向向内延伸设置。5.根据权利要求2所述的分布式自驱动监测浮标，其特征在于，所述转子层包括多个第三格栅电极，多个所述第三格栅电极沿周向均匀分布，各所述第三格栅电极分别自中心沿径向向外延伸设置。6.根据权利要求1所述的分布式自驱动监测浮标，其特征在于，所述浮子包括上浮子和下浮子，所述上浮子与所述下浮子上下密封连接，所述上浮子中内置有太阳能储舱，所述太阳能储舱内设置有太阳能发电板；所述下浮子呈半球状，所述摆动机构置于所述下浮子内。7.根据权利要求6所述的分布式自驱动监测浮标，其特征在于，所述上浮子包括上密封盖和多块楔形块，多块所述楔形块依次连接呈上小下大的锥形体，所述楔形块的下部与所述下浮子密封连接，所述楔形块的上部与所述上密封盖连接，所述太阳能储舱设置于所述楔形块的内部。8.根据权利要求6所述的分布式自驱动监测浮标，其特征在于，所述上浮子中还内置有能量管理舱室，所述能量管理舱室中设置有能量管理模块，所述能量管理模块与所述太阳能发电板、所述发电机构连接，所述能量管理模块用于存储所述太阳能发电板与所述发电机构产生的电能。9.根据权利要求1所述的分布式自驱动监测浮标，其特征在于，所述摆动机构还包括托盘摆传感器和水平摆传感器，所述托盘摆传感器与所述摆子托盘的摆动轴线同轴安装，所述水平摆传感器同轴安装在所述光轴的下部。10.根据权利要求1所述的分布式自驱动监测浮标，其特征在于，所述浮子的底部设置
有配重舱，所述配重舱的底部设置有系泊环。

技术总结
本发明涉及海洋可再生能源利用技术领域，公开了一种分布式自驱动监测浮标，包括浮子，浮子内设有空腔；摆动机构，置于空腔内，摆动机构包括摆子托盘、光轴、水平摆轴和配重块，摆子托盘可转动地安装在空腔内，光轴可转动地同轴安装于摆子托盘上，光轴的底端向下穿出摆子托盘，水平摆轴水平连接在光轴的底端，配重块固定在水平摆轴的端部；发电机构，安装在摆子托盘内，发电机构与光轴连接；浮子浮动时，摆子托盘摆动，带动配重块水平旋转，使得光轴带动发电机构发电。本发明可减轻浮子水动力响应与发电耦合的有害影响，使得发电机构相对于浮子保持恒定的质心位置，保证发电机构稳定运转，且确保浮子在水中自适应平衡，自海洋波浪中提取能量。能量。能量。


技术研发人员：马勇 赵天聪 刘博赢 李正郁
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：2022.12.27
技术公布日：2023/5/30